近日，我校材料科学与工程学院王成毓教授、杨海月教授研究团队与南洋理工大学陈晓东教授团队合作的“Muscle-Inspired Formable Wood-Based Phase ChangeMaterials”科研成果发表在国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。该研究通过溶剂响应，制备出一种能够适应复杂成型的，刚度可切换的木质基复合相变材料(PCMs)。这种生物可降解的木质基PCMs表现出卓越的成型性，为可持续和高效热管理的各种应用铺平了道路。
PCMs可以储存和释放可再生热能，对节能建筑和冷链物流的可持续热管理至关重要。传统的PCM在其相变温度以上容易泄漏、失去原有的形状，限制了其形状稳定性和通用性。因此，引入可生物降解和可成形的支撑材料以保持相变材料在高于相变温度时其形状稳定是至关重要的。自然界中，在动态环境的驱动下，生物系统已经进化出组织结构来调节机械性能，以防止物理损伤并完成基本运动。例如，肌肉的周期性收缩和释放依赖于肌动蛋白和肌球蛋白的交联和脱粘的相互作用。当钙离子浓度升高，三磷酸腺苷(ATP)输入，肌动蛋白丝与肌凝蛋白头结合，开始产生力和肌丝滑动，导致肌肉收缩。随后，随着钙水平的降低和ATP消耗的减少，肌球蛋白脱离使肌肉放松。层次结构和超分子网络赋予肌原纤维可切换的刚度。利用这种响应结构，通过构建PCMs响应交联超分子结构，为制造具有可编程刚度的可成形木质基PCMs提供了参考。
近年来，王成毓教授团队围绕生物质复合PCMs以解决传统PCMs应用中存在的问题开展了一系列工作。本研究将可生物降解的聚乙烯醇(PVA)加入到具有分层纤维素结构的脱木质素椴木中，制备出具有PVA和纤维素分子响应交联网络的PVA/木材水凝胶(PVA/W)。在水合状态下，由于排列的木纤维和PVA分子之间的氢键较弱，这种材料表现出较低的刚度和柔韧性。通过将聚乙二醇(PEG)处理成氢键增强的PVA/木质PEG凝胶(PEG/PVA/W)，得到的PEG/PVA/W在硬质和熔融状态下的拉伸应力从10.14提高到80.86 MPa，刚度从420 MPa提高到4.8 GPa，硬度是PEG/PVA凝胶的530倍。这种能够根据溶剂变化而变形的可塑性相变材料有望实现复杂的热管理设计。此外，通过生命周期评价，这种可变形、可回收和可生物降解的相变材料具有更低的环境足迹，为传统的塑料和热管理材料提供了可持续的替代方案。
具有肌肉启发的可编程刚度的可成形木质基PCMs
论文链接：DOI: 10.1002/adma.202406915
